光耦的工作原理、种类、优点、作用

光耦的定义：

耦合器（opticalcoupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦，是开关电源电路中常用的器件。

光耦的工作原理：

耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。

光耦的优点：

光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。光耦合器是70年代发展起来产新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。

光耦的种类：

光电耦合器分为两种：一种为非线性光耦，另一种为线性光耦。

非线性光耦的电流传输特性曲线是非线性的，这类光耦适合于开关信号的传输，不适合于传输模拟量。常用的4N系列光耦属于非线性光耦。

线性光耦的电流传输特性曲线接近直线，并且小信号时性能较好，能以线性特性进行隔离控制。常用的线性光耦是PC817A—C系列。

开关电源中常用的光耦是线性光耦。如果使用非线性光耦，有可能使振荡波形变坏，严重时出现寄生振荡，使数千赫的振荡频率被数十到数百赫的低频振荡依次为号调制。由此产生的后果是对彩电，彩显，VCD，DCD等等，将在图像画面上产生干扰。同时电源带负载能力下降。在彩电，显示器等开关电源维修中如果光耦损坏，一定要用线性光耦代换。常用的4脚线性光耦有PC817A----C。PC111TLP521等常用的六脚线性光耦有：LP632TLP532PC614PC714PS2031等。常用的4N254N264N354N36是不适合用于开关电源中的，因为这4种光耦均属于非线性光耦。

光耦的作用：

由于光耦种类繁多，结构独特，优点突出，因而其应用十分广泛，主要应用以下场合：

(1)在逻辑电路上的应用

光电耦合器可以构成各种逻辑电路，由于光电耦合器的抗干扰性能和隔离性能比晶体管好，因此，由它构成的逻辑电路更可靠。

(2)作为固体开关应用

在开关电路中，往往要求控制电路和开关之间要有很好的电隔离，对于一般的电子开关来说是很难做到的，但用光电耦合器却很容易实现。

(3)在触发电路上的应用

将光电耦合器用于双稳态输出电路，由于可以把发光二极管分别串入两管发射极回路，可有效地解决输出与负载隔离地问题。

(4)在脉冲放大电路中的应用

光电耦合器应用于数字电路，可以将脉冲信号进行放大。

(5)在线性电路上的应用

线性光电耦合器应用于线性电路中，具有较高地线性度以及优良地电隔离性能。

(6)特殊场合的应用

光电耦合器还可应用于高压控制，取代变压器，代替触点继电器以及用于A/D电路等多种场合。

线性光耦合器的选取原则：

在设计光耦反馈式开关电源时必须正确选择线性光耦合器的型号及参数，选取原则如下：

①光耦合器的电流传输比(CTR)的允许范围是50%～200%。这是因为当CTR＜50%时，光耦中的LED就需要较大的工作电流(IF＞5.0mA)，才能正常控制单片开关电源IC的占空比，这会增大光耦的功耗。若CTR＞200%，在启动电路或者当负载发生突变时，有可能将单片开关电源误触发，影响正常输出。

②推荐采用线性光耦合器，其特点是CTR值能够在一定范围内做线性调整。

③由英国埃索柯姆(Isocom)公司、美国摩托罗拉公司生产的4N××系列(如4N25、4N26、4N35)光耦合器，目前在国内应用地十分普遍。鉴于此类光耦合器呈现开关特性，其线性度差，适宜传输数字信号(高、低电平)，因此不推荐用在开关电源中。

3线性光耦合器应用举例

多路输出式电源变换器电路如图3所示。其输入电压为36V到90V的准方波电压，三路输出分为：UO1＝＋5V(2A)，UO2＝＋15V(0.17A)，UO3＝－15V(0.17A)。现将UO1定为主输出，其电压调整率SV＝±0.4%；UO2和UO3为辅输出，总电源效率可达75%～80%。电路中采用一片TOP104Y型三端单片开关电源集成电路。主输出绕组电压经过VD2、C2、L1和C3整流滤波后，得到＋5V电压。VD2采用MBR735型35V／7.5A肖特基二极管。两个辅输出绕组及输出电路完全呈对称结构。因为±15V输出电流较小，故整流管VD4和VD5均采用UF4002型100V／1A的超快恢复二极管。由线性光耦CNY17-2和可调式精密并联稳压器TL431C构成光耦反馈式精密开关电源，可以对＋5V电压进行精密调整。反馈绕组电压通过VD3、C4整流滤波后，得到12V反馈电压。由P6KE120型瞬态电压抑制器和UF4002型超快恢复二极管构成的漏极钳位保护电路，能吸收由高频变压器漏感形成的尖峰电压，保护芯片内部的功率场效应管MOSFET不受损坏。

外部误差放大器由TL431C组成。当+5V输出电压升高时，经R3、R4分压后得到的取样电压，就与TL431C中的2.5V带隙基准电压进行比较，使其阴极电位降低，LED的工作电流IF增大，再通过线性光耦IC2（CNY17-2）使控制端电流IC增大，TOP104Y的输出占空比减小，使UO1维持不变，达到稳压目的。+5V稳压值UO1则由TL431C、光耦中的LED正向压降来设定。R1是LED的限流电阻。误差放大器的频率响应由C5、R2和C6来决定。C5的作用有三个：滤除控制端上的尖峰电压；决定自动重启动频率；与R2一起对控制回路进行补偿。

中国科学家研究量子耦合，实现光与物合并取得突破性进展

莱斯大学科学家发明的方法拉近了横跨在光与物质之间的鸿沟，这将有可能大幅推进量子计算机和量子通信的技术进步。他们设计并制作了一个带有超薄砷化镓层的高品质共振腔，通过用磁场调谐砷化镓层，使砷化镓层与共振腔内的特定状态光发生共振，从而形成了以集体方式运动的极化激元——一种介于光和物质之间的量子。图片来源：莱斯大学

莱斯大学的科学家们说，光与物质的交汇照亮了世界，当这种交汇强到两者合二为一时，将造就一个新的物理学世界。

通过用光和磁场统一某种物质中所有电子的运动，莱斯大学的科学家们成功地创造了一种新的凝聚态（condensed matterstate）。这个结果是通过一个定制的实验设备——太赫兹辐射精调共振腔获得的，这也是迄今为止观测到的最强烈的光与物质耦合现象之一。

这项由莱斯大学科学家小泉科诺（Junichiro Kono）及其同事共同完成的研究成果，不久前以论文的形式发表在著名的《自然·物理学》杂志上。科诺说，该成果如被研究腔量子电动力学（cavity quantum electrodynamics，cavity QED）和凝聚体物理学（condensed matter physics）的科学家们加以利用，将会推进量子计算机和量子通信的技术进步。

简单地讲，凝聚态物质（condensed matter）是指任何固态或液态物质，但凝聚态物理学家的研究对象是玻色-爱因斯坦凝聚体（Bose-Einstein condensate）这类艰深的物质。来自莱斯大学的一个研究团队是最早生成玻色-爱因斯坦凝聚体的团队之一。早在1995年，他们就通过在超低温下令原子们失去个体运动而以集体方式一致运动的方式，成功地从原子生成气体。

科诺团队正在做的工作与此类似，只不过不是用原子，而是用与光进行强耦合的电子来实现的。用张琪（Qi Zhang，音译）的话来说，这相当于用光给电子穿上了外衣。张琪是从科诺团队毕业的研究生，也是《自然·物理学》杂志论文的第一作者。

他采用曾被用来研究超荧光（superfluorescence）的砷化镓材料，设计并制作了一个包含超薄砷化镓层的高品质共振腔。通过用磁场调谐砷化镓，砷化镓层与共振腔内的特定状态光发生共振，从而形成了以集体方式发生作用的极化激元。

张琪基于这项工作完成了他的博士论文。他介绍说，该研究属于对二维电子材料的非线性光学研究。

当用光来探测材料的电子结构时，通常是通过光的吸收、反射或散射来查看物质发生的变化。这种光是一种弱探测光，上述研究过程被称为线性光学 。

非线性光学则意味着光要对物质发生改变。 在非线性光学中，光不再是对物质的一个小扰动，而是与物质发生强耦合。 当增加这种耦合的力度时，物质就会发生变化。

张琪说：“我们的工作是非线性光学的一个极端实例。在实验中，光和物质的耦合强到无法把光和物质区分开来。这样，我们就得到一种介于二者之间的东西，我们称之为极化激元。”

研究人员使用真空拉比分裂（vacuum Rabi splitting）这个参数来测量光与物质耦合的强度。《自然物理学》论文的合作者、科诺团队的研究生李新伟（Xinwei Li，音译）说：“在以前的光-物腔内耦合研究中，超过99%研究成果的真空拉比分裂与实验中光的光子能量相比，都可以忽略不计。在我们的研究中，真空拉比分裂能达到光子能量的10%。”

“这样的结果已足以进入所谓的超强耦合条件（ultrastrong coupling regime）。超强耦合条件是一个重要的限制性条件，这是因为，一旦真空拉比分裂最终超过光子能量，物质将进入一个新的基态（ground state）。这意味着，我们可以诱导一个相变（phasetransition），这是凝聚体物理中的一个要素。”

相变是物质状态之间的变迁，比如从冰到水再到水蒸气。科诺团队的工作是寻找一种超辐射相变，通过这种相变，极化激元能进入一个具有宏观一致性的有序状态。

莱斯大学研究生李新伟和物理学家小泉科诺正在为一个腔量子电动力学实验准备样本。他们所在的研究团队致力于通过在传统的凝聚体物理与腔量子光学（cavity-based quantum optics）之间建立联系的研究途径，探索光与物质相互作用的边界。图片来源：莱斯大学

科诺说，实验中投入共振腔中的太赫兹光的强度非常低。他说：“我们的实验基于真空涨落（vacuum fluctuation）理论。从经典意义上讲，真空是一个空的空间，空间里什么都没有。但是从量子意义上讲，真空中充满了波动的光子，具有所谓的零点能（zero-pointenergy），这些真空光子就是我们在共振腔中用以谐振激发电子的东西。这属于腔量子电动力学（cavity QED）的研究范畴。”

“在腔量子电动力学中，共振腔通过增强光，来使共振腔中的物质与真空场相互共振。固态腔量子电动力学的特别之处在于，光通常与数量巨大的电子相互作用，使得这些电子看起来像一个巨大的原子那样运动 。”

科诺认为，固态腔量子电动力学是实现量子计算机等与量子信息处理相关应用的关键。他说：“光与物质间的界面非常重要，所谓的光与物质纠缠（light-matterentanglement）就发生在这里。”

“通过光与物质纠缠，物质的量子信息可被转移给光，然后由光传递出去。为了提高腔量子电动力学在量子信息研究上的效用，光与物质的耦合越强越好。我们使用可升级的固态系统替代原子或分子系统，成功地获得了光与物质的强耦合。 ”

该研究中采用的高品质砷化镓材料是由论文的合作者——桑迪亚国家实验室的约翰·里诺（John Reno）和普渡大学的约翰·华生（John Watson）、迈克尔·曼弗里（Michael Manfra）利用分子束外延工艺合成的。来自桑迪亚国家实验室的韦尔·潘（Weil Pan）和莱斯大学研究生楼敏涵（Minhan Lou）参与了实验样本准备和太赫兹测量，他们也是这篇论文的合作者。

张琪现在是阿尔贡国家实验室的阿莱克西·阿布里科索夫（AlexeiAbrikosov）博士后研究员，科诺是莱斯大学的电气和计算机工程、物理学和天文学、材料科学和纳米工程教授，李新伟凭借在该项目中的卓越工作，获得了莱斯大学电气和计算机工程系的“最佳新人研究奖 ”。

参考：Nature Physics (2016). DOI: 10.1038/nphys3850

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